软开关直流电源控制技术研究

摘要

现代社会生活水平的提高及科学技术的日益进步，使得各种用电设备对开关电源的性能提出了越来越高的要求。为了满足人们对开关电源的使用需求，更高的开关频率、更小的电源体积、更精确的数字控制是开关电源未来的发展方向。但是开关频率的提高也带来一些亟待解决的问题，由以往的经验可知，开关频率的大小与系统开关损耗成正比，与系统的转换效率成反比。软开关技术的出现，解决了因提高开关频率带来的一系列问题，而且在工程上得到广泛的应用。
　　本文首先分析了多种移相全桥软开关直流变换器的拓扑结构，总结出每种拓扑结构的优缺点，然后选定滞后桥臂串联二极管的主拓扑结构作为本文的研究对象，并针对该结构进行具体分析研究。由于副边整流二极管上存在着寄生电容，所以副边电压的波形容易发生振荡，本文对振荡原因进行分析说明，采用添加辅助电路的方法来抑制副边振荡。针对变换器在轻载时超前桥臂开关管实现ZVS效果不佳的现象，提出了在超前桥臂增加辅助电流源的改进措施，设计辅助电路并分析ZVS范围增大的原理，并进行仿真验证。
　　然后，根据小信号分析法建立主电路的数学模型，采用电压外环电流内环的控制结构，并给出具体的设计过程。由于传统的PI控制器不具备在线整定的功能，同时在负载切换的复杂工况下应对能力不佳，而且数字控制存在延迟等缺点，使得控制作用会存在一个采样周期的延迟，针对上述问题本文提出将预测控制技术与模糊PI控制相结合的预测模糊PI控制的控制策略，并给出其设计方法。在相同工况下对传统PI控制和预测模糊PI控制这两种控制策略分别进行仿真，仿真结果说明预测模糊PI控制对切换负载的复杂工况的应对能力较好，更能满足系统要求。
　　最后设计了以STM32F407为核心的控制系统，基于搭建的实验平台，对仿真波形进行验证，证明了理论与实际的一致性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2移相全桥变换器的软开关技术概述

1．2．1软开关技术的回顾与展望

1．2．2直流开关电源的发展趋势

1．3移相全桥变换器的控制技术

1．4课题研究的主要内容

第2章移相全桥软开关直流变换器分析

2．1移相全桥ZVS直流变换器

2．2移相全桥ZVZCS直流变换器

2．2．1带饱和电感的ZVZCS全桥变换器

2．2．2滞后桥臂串联二极管的ZVZCS全桥变换器

2．2．3副边含有源钳位的ZVZCS全桥变换器

2．3副边整流桥寄生振荡产生的原因及抑制措施

2．3．1副边整流桥寄生振荡产生的原因分析

2．3．2副边整流桥寄生振荡抑制措施

2．4添加辅助电路的移相全桥ZVZCS主电路分析

2．5移相全桥ZVZCS直流变换器的改进

2．5．1超前桥臂开关管ZVS范围增大原理

2．5．2超前桥臂采用辅助谐振电路的工作原理

2．6实现软开关的条件

2．6．1超前桥臂实现ZVS的条件

2．6．2滞后桥臂实现ZCS的条件

2．7本章小结

第3章ZVZCS全桥变换器建模与控制技术研究

3．1移相全桥ZVZCS直流变换器小信号建模与分析

3．1．1 Buck变换器的小信号模型

3．1．2移相全桥ZVZCS变换器的小信号模型

3．2系统控制器的设计

3．2．1电流内环设计

3．2．2电压外环设计

3．3预测模糊PI控制策略

3．3．1常规模糊控制理论

3．3．2模糊PI控制

3．3．3预测控制技术

3．3．4预测模糊PI控制技术基本原理

3．4本章小结

第4章移相全桥ZVZCS变换器的软硬件设计

4．1主电路的设计

4．1．1输入滤波电容参数计算

4．1．2变压器原副边的变比计算

4．1．3死区时间的确定

4．1．4超前桥臂开关管并联电容参数计算

4．1．5变压器漏感Lsk参数计算

4．1．6隔直电容参数计算

4．1．7输出滤波电感参数计算

4．1．8输出滤波电容参数计算

4．1．9超前桥臂辅助电路参数计算

4．2控制电路的设计

4．2．1采样电路的设计

4．2．2保护电路的设计

4．2．3通讯电路的设计

4．3驱动电路的设计

4．4系统软件的设计

4．4．1主程序的设计

4．4．2数字PI控制器软件设计

4．4．3移相控制的软件实现

4．5本章小结

第5章系统仿真及实验结果分析

5．1系统仿真验证

5．1．1系统仿真模型

5．1．2 PI双闭环控制仿真分析

5．1．3预测模糊PI控制仿真分析

5．2实验环境及波形分析

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和取得的科研成果

致谢